汽車轉(zhuǎn)向拉桿疲勞分析

1、汽車轉(zhuǎn)向拉桿疲勞分析Seung K. Koh * 韓國，群山大學(xué)，車輛工程學(xué)院，全羅北道群山市 郵編：573-701摘 要關(guān)鍵詞：疲勞壽命轉(zhuǎn)向拉桿有限元分析低周循環(huán)疲勞進(jìn)行有限元分析的主要目的是防止轉(zhuǎn)向拉桿疲勞失效并預(yù)測(cè)它的疲勞壽命，這對(duì)汽車的安全非常重要。從轉(zhuǎn)向系取出的拉桿樣本用于靜載拉伸試驗(yàn)和應(yīng)變可控的低周循環(huán)疲勞試驗(yàn)，這樣可以測(cè)試出在靜應(yīng)力和低周循環(huán)應(yīng)力下拉桿材料的性能。有限元分析是為了確定轉(zhuǎn)向拉桿局部區(qū)域的應(yīng)力和應(yīng)變分布。一些關(guān)鍵位置的應(yīng)變通過應(yīng)變片試驗(yàn)測(cè)定，用來驗(yàn)證有限元分析的準(zhǔn)確性。在轉(zhuǎn)向拉桿的彎曲區(qū)域，有限元分析的局部應(yīng)變與試驗(yàn)測(cè)的應(yīng)變存在8%的誤差。由STKM12C碳鋼制成的轉(zhuǎn)

2、向拉桿表現(xiàn)出周期軟化現(xiàn)象。在循環(huán)應(yīng)力下的屈服強(qiáng)度比靜應(yīng)力下的屈服強(qiáng)度大約低25%。如有限元應(yīng)力分析所預(yù)期的那樣，疲勞源發(fā)生在轉(zhuǎn)向拉桿的彎曲區(qū)域，裂紋通過圓截面擴(kuò)展到拉桿的另一側(cè)，最終導(dǎo)致了斷裂。 1. 引 言在汽車運(yùn)行過程中，汽車的零部件受到了循環(huán)沖擊載荷，導(dǎo)致疲勞源和局部損傷的裂紋擴(kuò)展，產(chǎn)生裂縫。疲勞失效阻止了零部件發(fā)揮其正常的功用，是引發(fā)汽車安全的關(guān)鍵問題1。因此，為了保證汽車不致于疲勞失效，在汽車行業(yè)中，由零件構(gòu)成的組件都進(jìn)行了耐久性測(cè)試。最近，在汽車早期開發(fā)階段，疲勞設(shè)計(jì)和耐久性分析已經(jīng)應(yīng)用于底盤系統(tǒng)，如動(dòng)力傳輸，懸架，轉(zhuǎn)向和制動(dòng)，這些對(duì)汽車安全非常重要2-4。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的拉桿是位于轉(zhuǎn)

3、向節(jié)臂和轉(zhuǎn)向搖臂之間傳遞轉(zhuǎn)向力的一個(gè)組件。轉(zhuǎn)向拉桿如圖1所示，由連桿和球節(jié)構(gòu)成。本文中，為了保證轉(zhuǎn)向系中拉桿部件的可靠性，拉桿的疲勞分析包括了拉桿材料的有限元應(yīng)力分析和低周循環(huán)疲勞試驗(yàn)。將拉桿預(yù)測(cè)的疲勞壽命和試驗(yàn)確定的疲勞壽命進(jìn)行比較，從而評(píng)估疲勞分析的有效性和準(zhǔn)確性。圖1.轉(zhuǎn)向系中的拉桿部件2. 材料特性2.1 靜應(yīng)力下的性能拉桿由用作結(jié)構(gòu)管材的含碳量為0.12%碳鋼（STKM12C）制成。為了研究在靜應(yīng)力下材料的拉伸性能，從拉桿上取下一塊厚3mm寬 8mm的平面標(biāo)本。最大加載為100kN的液壓材料測(cè)試系統(tǒng)，使用加載速率為0.2mm/min進(jìn)行拉伸測(cè)試。材料的機(jī)械性能見表1。產(chǎn)生0.2%塑性

4、應(yīng)變的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度極限分別為485MPa和535MPa。強(qiáng)度系數(shù)K和由回歸分析所得的應(yīng)變硬化指數(shù)n分別為942.9MPa和0.1225。靜載荷下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式如下1： (1) 表1. STKM12C鋼的機(jī)械性能2.2低周循環(huán)疲勞性能 預(yù)測(cè)一個(gè)部件的疲勞壽命就必須先規(guī)定試驗(yàn)的條件，因?yàn)椴煌芷诘妮d荷，材料表現(xiàn)出不同的特性。循環(huán)應(yīng)力下材料的性能可以通過美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)5的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣品和步驟測(cè)得。因?yàn)槔瓧U的疲勞壽命將在本研究中預(yù)測(cè)，所以取了直徑為5mm的拉桿樣本，進(jìn)行低周循環(huán)疲勞測(cè)試和應(yīng)變可控的疲勞測(cè)試。 從不同程度的恒應(yīng)力幅的疲勞試驗(yàn)得出循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下1： (2) 其中K和

5、n分別是循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)和循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。代入循環(huán)次數(shù)2Nf和對(duì)應(yīng)的應(yīng)變幅，疲勞壽命方程轉(zhuǎn)化為如下表達(dá)： (3) 方程3中，與低周循環(huán)疲勞性能有關(guān)參數(shù)f，b，f從對(duì)數(shù)線性回歸分析中確定。 在總共10份樣品中，加載了7種不同的應(yīng)力幅進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。低周循環(huán)疲勞性能見表2。在圖2中，可以清楚的觀察到循環(huán)軟化現(xiàn)象。STKM12C鋼在循環(huán)應(yīng)力下的屈服強(qiáng)度比靜應(yīng)力下的屈服強(qiáng)度低大約25%。基于方程3所得的應(yīng)變-壽命曲線繪制在圖3和圖4上。表2. STKM12C鋼的低周循環(huán)性能圖2. STKM12C鋼的靜載荷和循環(huán)載荷應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖3.STKM12C鋼應(yīng)變幅隨循環(huán)次數(shù)變化曲線圖4. STKM12C鋼的應(yīng)變-

6、壽命曲線3. 應(yīng)力分析機(jī)械和結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命取決于材料性能和施加的載荷。比較脆弱的局部區(qū)域容易成為疲勞源。因此，為了分析失效原因，評(píng)估構(gòu)件的疲勞性能如疲勞壽命，關(guān)鍵區(qū)域的局部應(yīng)力和局應(yīng)變，材料對(duì)疲勞加載的反應(yīng)是非常必要的。分析拉桿彈性-塑性應(yīng)力分布的有限元軟件為ABAQUS6.4版，著重分析拉桿失效發(fā)生的區(qū)域6。利用三維二次單元建立的拉桿有限元模型如圖5所示。節(jié)點(diǎn)和元素的總數(shù)分別是25793和5088。圖5.靜拉伸載荷為10KN的彈性形變分布 靜拉伸載荷為10KN的彈性形變分布如圖5。在圖5中，標(biāo)注的彎曲區(qū)域A和B表現(xiàn)出相似的應(yīng)力水平，可知疲勞源可能在這兩個(gè)區(qū)域產(chǎn)生。拉桿受循環(huán)載荷的應(yīng)力-應(yīng)變

7、響應(yīng)曲線可以通過低周循環(huán)疲勞試驗(yàn)所確定的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變方程2來表達(dá)。因此，循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變方程適用于彈性-塑性分析。圖6顯示了拉桿受到循環(huán)載荷為24KN的等效應(yīng)力分布。在不同的模擬循環(huán)應(yīng)力加載分析中，如圖7所示，循環(huán)載荷幅值為24KN時(shí)，檢測(cè)到塑性變形包含了0.022%的塑性應(yīng)變。圖6.循環(huán)載荷為24KN的等效應(yīng)力分布圖7.循環(huán)載荷為24KN的等效塑性應(yīng)變分布 為了驗(yàn)證有限元分析結(jié)果，在拉伸載荷為10KN下，利用應(yīng)變片測(cè)定彎曲區(qū)域（圖5中A和B）的局部應(yīng)變。表3中所列的彎曲區(qū)域的實(shí)驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變和有限元分析的結(jié)果，兩者匹配得非常好。表3.拉伸載荷為10KN的拉桿局部軸向應(yīng)變4. 疲勞測(cè)試和壽命評(píng)估

8、實(shí)際應(yīng)用要求拉桿在載荷為18KN下，能承受106次循環(huán)。為了評(píng)估拉桿的壽命，進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)的液壓測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示。液壓測(cè)試系統(tǒng)由最大加載為100KN的執(zhí)行器、反應(yīng)裝置和控制裝置組成。應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)也可用于測(cè)量拉桿彎曲區(qū)域的局部壽命。試驗(yàn)過程中拉桿上作用了頻率為6Hz連續(xù)正弦振幅。 圖8.液壓疲勞測(cè)試系統(tǒng) 通過分別為22KN，24KN和26KN載荷幅值的疲勞測(cè)試，確定出拉桿的載荷-壽命曲線，通過該曲線計(jì)算出實(shí)驗(yàn)的疲勞壽命。圖9顯示了從疲勞試驗(yàn)獲得的載荷-壽命曲線。圖9.拉桿振幅與循環(huán)次數(shù)曲線 疲勞源產(chǎn)生于拉桿的彎曲區(qū)域，并擴(kuò)展到如圖10所示的整個(gè)圓管截面。疲勞源產(chǎn)生在拉桿的彎曲區(qū)域，裂紋沿著拉桿截

9、面擴(kuò)展，最終的脆性斷裂區(qū)在疲勞源的另一側(cè)。掃描電子顯微鏡（SEM）生成的顯微照片圖11顯示了在疲勞源附近有許多雜質(zhì)和缺陷。由于疲勞試驗(yàn)完全在循環(huán)載荷作用下進(jìn)行，疲勞源附近的斷面看起來平整光滑。在圖12中，可以觀察到在疲勞源附近裂紋擴(kuò)展慢，脆性斷裂區(qū)裂紋擴(kuò)展快。在圖13中，可以看見脆性斷裂區(qū)的韌性斷裂。圖10.拉桿斷裂表面圖11.掃描電子顯微鏡顯示的疲勞源區(qū)域圖12.掃描電子顯微鏡顯示疲勞源a和脆性斷裂b附近裂紋擴(kuò)展圖13.掃描電子顯微鏡顯示的脆性斷裂區(qū)域 拉桿疲勞壽命預(yù)測(cè)用到了有限元應(yīng)力分析結(jié)果和拉桿材料的疲勞性能。彎曲區(qū)域關(guān)鍵位置的局部應(yīng)力和應(yīng)變由彈性-塑性有限元應(yīng)力分析測(cè)定。由于應(yīng)力-應(yīng)變

10、方程式是從拉桿材料的低周循環(huán)疲勞測(cè)試確定的，即STKM12C鋼的疲勞壽命是通過方程(3)確定的應(yīng)力-應(yīng)變曲線預(yù)測(cè)的。疲勞裂紋傳播地如此之快，以至于同裂紋萌生壽命相比，裂紋擴(kuò)展壽命就顯得短的多。因此，假定拉桿的疲勞壽命僅是裂紋萌生壽命。圖14中顯示了對(duì)應(yīng)載荷幅值為22KN，24KN和26KN時(shí)，預(yù)測(cè)疲勞壽命和拉桿疲勞試驗(yàn)確定的疲勞壽命的差別。拉桿試驗(yàn)測(cè)疲勞壽命的組數(shù)只占預(yù)測(cè)壽命組數(shù)的三分之一，但是測(cè)得的數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)十分接近。圖14.轉(zhuǎn)向拉桿的預(yù)測(cè)壽命與實(shí)驗(yàn)壽命5. 總結(jié) 疲勞分析包含材料特性，應(yīng)力分析和壽命預(yù)測(cè)。在應(yīng)力可控的低周循環(huán)疲勞試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)拉桿材料STKM12C鋼在循環(huán)應(yīng)力下的屈服強(qiáng)度

11、比靜應(yīng)力下的屈服強(qiáng)度大約低25%，表現(xiàn)出循環(huán)軟化現(xiàn)象。彈性-塑性有限元應(yīng)力分析清楚的顯示了產(chǎn)生疲勞裂紋的區(qū)域以及局部應(yīng)力和應(yīng)變，分析結(jié)果的準(zhǔn)確性經(jīng)過了應(yīng)變片的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。疲勞實(shí)驗(yàn)表明，疲勞源產(chǎn)生在拉桿的彎曲區(qū)域的大小，裂紋沿著拉桿截面擴(kuò)展，最終的脆性斷裂區(qū)在疲勞源的另一側(cè)。拉桿試驗(yàn)測(cè)疲勞壽命的組數(shù)只占預(yù)測(cè)壽命組數(shù)的三分之一，但是測(cè)得的數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)十分接近。參考文獻(xiàn)1 Stephens RI, Fatemi A, Stephens RR, Fuchs HO. Metal fatigue in engineering.New York: Wiley;2002.2 Beranger AS, Bera

12、rd JY, Vittori JF. Fatigue design of components. In: Marquis G, Solin J, editors. Amsterdam: Elsevier; 1997. p. 1726.3 Falah AH, Alfares MA, Elkholy AH. Failure investigation of a tine end rod of an automobile steering system. Eng Fail Anal 2007;14:895902.4 Wright DH. Testing automotive materials and components. Conshohocken: Society of Automotive En